專利名稱：包括成螺旋布置的手性向列型液晶材料的液晶裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明除其它外通常涉及用于控制偏振光傳輸?shù)囊壕аb置、具有若干液晶裝置的顯示設(shè)備、包括液晶裝置的光波導(dǎo)器件、包括液晶裝置的可變光衰減器(VOA)、包括液晶裝置的光開關(guān)或光關(guān)斷器件、包括液晶裝置的激光器、用于控制光從液晶裝置輸出的方法、用于控制偏振光傳輸?shù)姆椒ǎ约傲硗庖环N液晶裝置。
背景技術(shù)：
如今液晶商業(yè)應(yīng)用于大型高清晰度平板電視屏幕中。現(xiàn)有技術(shù)的當(dāng)前狀態(tài)的液晶顯示器(LCD)涉及具有特定刷新率的高清晰度圖像。液晶顯示器的發(fā)展是眾所周知的且在許多文獻(xiàn)報告中進(jìn)行了詳細(xì)論述。在工程技術(shù)方面，諸如在主動背光的發(fā)展方面取得了明顯的進(jìn)步，導(dǎo)致當(dāng)今時代關(guān)注的相對較高性能。然而，目前液晶裝置仍然是基于用于研發(fā)顯示器的相同通用型液晶顯示器件。因此，仍然存在對諸如除其它外的速度、對比度、可控性和液晶裝置的大范圍均勻排列的特性方面的限制。因此，需求一種對于上述特性至少之一進(jìn)行改進(jìn)的液晶裝置。這適用于各個領(lǐng)域， 包括顯示裝置和電信方面。為了用于理解本發(fā)明，下述公開內(nèi)容被參照-美國專利US5,477，；358，Rosenblatt等人，提交日為1993年6月21日；-美國專利US5,602,662，Rosenblatt等人，提交日為1995年2月16日；-Physics Letter, Blinov 等人，1978 年 2 月，卷· 65A,編號 1 ；-B. J. Broughton, M. J. Clarke, Α. Ε. Blatch, H. J. Coles, J. Appl. Phys. 98， 034109(2005)；-"Fast In-Plane Switching Mode in Cholesteric Liquid Crystals，，,Barnik and Blinov, EuroDisplay 2007, S5-4 ；-"Electro-optical characteristics of a chiral hybrid in-plane switching liquid crystal mode for high brightness，，，Jin Seong Gwag 等人，Optics Express vol. 16，no. 16，12226，
公開日為 2008 年 7 月 31 日；- H^yjflEP 1 766 461 Bi, Flexoelectro-optic liquid crystal device, Coles H. , Coles Μ. , Broughton B. , Morris S.,申請人 Cambridge Enterprise Ltd.，與 2006年1月12日公開的W0200600;3441相關(guān)；-P.G.de Gennes, The Physics of Liquid Crystals (牛津大學(xué)出版社，倫敦，1974 年，第288頁，第2版)；-S.A.Jewell and J. R. Sambles, Phys. Rev. Ε, 78,012701 (2008)；-US2003/128305 Al, Isumi Tomoo 等人，Minolta，2003 年 07 月 10 日公開；-JP09281484 A, Hisatake Yuzo 等人，Toshiba Corp, 1997-10-31 公開；-Morris, Castles, Broughton, Coles,Proc. SPIE 6587,658711(2007)；及
-Davidson 等人，Journal of Applied Physics, Vol. 99，093109，2006。本申請還涉及在本申請的優(yōu)先日之后公開的下述文獻(xiàn)-H. H. Lee, J. -S. Yu, J. -H. Kim, S. Yamamoto, and H. Kikuchi, Appl. Phys. Lett. 106,014503(2009)；及-F. Castles, S. Μ. Morris, and H. J. Coles, Phys. Rev. E. 80,031709 (2009)；-Choi, Castles, Morris, Coles, Appl. Phys. Lett. 95，193502(2009)；-Castles, Morris, Gardiner, Malik, Coles, J. Soc. Inf. Display 18，128 (2010)； 及-Coles, Morris, Choi, Castles, Proc. SPIE 7618，761814 Q010)。

發(fā)明內(nèi)容
下述方面通常涉及采用具有負(fù)介電各向異性LC的實施例。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供用于控制偏振光傳輸?shù)囊壕аb置，包括手性向列型液晶(LC)，具有在電場不存在的情況下成螺旋布置的液晶分子；和至少兩個電極，其用于施加具有垂直于手性向列型液晶螺旋軸的分量的電場，其中手性向列型液晶具有負(fù)介電各向異性。更具體而言，液晶螺旋旋轉(zhuǎn)布置可能是由于電場和液晶介電耦合。因此，耦合可能是通過介電各向異性，而不是通過撓曲電系數(shù)。但是，在一些實施例中，可能會發(fā)現(xiàn)介質(zhì)耦合與撓曲電耦合相結(jié)合。更具體的，在一些實施例中，撓曲電系數(shù)可被優(yōu)化，例如，最小化或最大化，以便允許撓曲電耦合與介電耦合組合使用。(該段適用于本文所述的各個方面，包括使用負(fù)介電各向異性的那些方面和使用正介電各向異性的那些方面)。該方面的實施例(以及在此利用具有負(fù)介電各向異性的LC進(jìn)行描述的任何其它方面)有至少下述的組合至少一個或所有的短螺距，具有負(fù)介電各向異性的均勻直立螺旋(USH)以及平面電極。這種實施例可用作交叉偏振器之間的強度調(diào)制器。在此對短螺距的所有參考值可采用平均值，其中螺距比可控光的波長更短或優(yōu)選地明顯更短，或者更具體的，比可見光波長更短，即比380nm短。該裝置可具有發(fā)出可控光的光源。這種液晶裝置的實施例可配置成控制非偏振光或偏振光的傳輸。實施例可具有下述特性的任意一個或多個，采用下述特性的一個或多個LC分子布置建立聚合物；用于增加設(shè)備/方法的開關(guān)效應(yīng)的介電耦合效應(yīng)；至少一個偏振器，LC優(yōu)選設(shè)置于交叉偏振器之間；LC是短螺距LC ；光軸由所施加電場誘導(dǎo)，優(yōu)選在交叉偏振器之間的，以便賦予開關(guān)效應(yīng)；以及光軸統(tǒng)一傾斜到一個平面(例如，平行于電極的平面)內(nèi)，優(yōu)選在交叉偏振器之間，以便賦予開關(guān)(切換)效應(yīng)；在施加電場時的非隨機光軸?？煽亓靠梢允且粋€傳輸?shù)某潭?傳輸量，例如，經(jīng)過裝置的光比例，或由裝置衰減 /吸收的光比例。此外或備選的，所述控制可以是控制光從設(shè)備輸出的方向。例如，可控光可以是圓形或橢圓偏振光。這可由螺旋結(jié)構(gòu)確定。液晶例如可以是液體或半固體材料。螺旋布置可以是分子取向，例如，液晶分子的長軸。垂直于LC螺旋軸的方向是垂直于上述螺旋布置的軸的方向，該軸存在于沒有施加任何電場的情況下，即零場螺旋軸。(電場分量可以是LC至少一部分(例如，分區(qū)域)的本地電場，例如在圖1中示出的弧形電場分布區(qū)域內(nèi)的電場，其中電場處于一個平面內(nèi)；在其它方案中，分量可以是彎曲或均勻電場的確定矢量分量，電場至少是分量的本地電場，本地電場不平行于零場螺旋軸)。LC可包括低濃度的反應(yīng)性甲殼成分(例如，Merck RM-257)或聚合物。這可通過將反應(yīng)性甲殼成分(其交聯(lián)以形成聚合物)或聚合物加入到液晶中(優(yōu)選以相對于LC的約20% w/w或更少的濃度)而獲得。聚合LC的優(yōu)點是LC分子布置穩(wěn)定，導(dǎo)致LC物理硬化和/或減少裝置傳輸/電壓特性的滯后。后者的優(yōu)勢可減少開關(guān)的響應(yīng)時間。電場的應(yīng)用程序可能涉及施加電壓，這樣在兩個電極之間存在電位差，例如利用為平面開關(guān)設(shè)備形式的裝置平面電極。在此描述的任一方面中可用于LC穩(wěn)定的聚合物(包括利用負(fù)介電各向異性的那些和利用正介電各向異性的那些)可以是二丙烯酸酯的結(jié)構(gòu)，其利用添加低濃度光引發(fā)劑的紫外線光源進(jìn)行光聚合(photophoymerised)。這就形成了一種聚合物網(wǎng)絡(luò)。通過負(fù)介電常數(shù)、和/或特別是使用在用于將電場施加到電極的驅(qū)動信號中使用 /發(fā)現(xiàn)的頻率來獲得負(fù)介電各向異性。更通常而言，這樣的負(fù)介電常數(shù)不同于負(fù)介電各向異性，這通常只是意味著平行于導(dǎo)向器的介電常數(shù)小于垂直于導(dǎo)向器的介電常數(shù)。此外通常而言，具有負(fù)介電各向異性的性質(zhì)可隨頻率變化。優(yōu)選的，LC在用于驅(qū)動信號中的頻率下具有負(fù)介電各向異性?？蛇M(jìn)一步提供上述的液晶裝置，其配置成所述手行向列型液晶分子在電場存在的情況下螺旋布置，螺旋軸(在所述電場存在的情況下螺旋布置的螺旋軸)與對于所述分子存在的本地電場對準(zhǔn)。因此，當(dāng)電場在所述電極之間施加時，螺旋布置旋轉(zhuǎn)，其中旋轉(zhuǎn)是可逆旋轉(zhuǎn)。甚至在電場存在情況下存在的LC分子的螺旋布置與對于該分子布置存在的本地電場方向?qū)?zhǔn)。因此，考慮到對于分子應(yīng)用本地電場之前和之后的分子螺旋布置的過渡，可實現(xiàn)可控程度的LC螺旋有效旋轉(zhuǎn)，例如取決于跨過電極應(yīng)用的電位差。當(dāng)在電極之間施加電場時重新取向的螺旋軸優(yōu)選位于所述電極的平面內(nèi)。在完全對準(zhǔn)的狀態(tài)下，液晶(LC)導(dǎo)向器可沿電極方向定位，例如，大體定位于平面開關(guān)設(shè)備的平面內(nèi)。這種狀態(tài)是激活的傳輸狀態(tài)。更具體的，螺旋軸與平面電極完全對準(zhǔn)的狀態(tài)(也就是平行于所述電極的平面或在該平面內(nèi))優(yōu)選是激活傳輸狀態(tài)，和/或可能是下述之一其中螺旋軸平行于所述電極平面或本地電場。電場導(dǎo)致螺旋軸重新定向位于(例如，平行于) 電極平面內(nèi)可被視為導(dǎo)致在平面內(nèi)誘導(dǎo)有效光軸。因此，在此對旋轉(zhuǎn)光軸的任何參考可更具體描述為誘導(dǎo)光軸，其可與所施加電場至少部分對準(zhǔn)。例如，電極可位于LC 一側(cè)上的同一基板上，接著便可產(chǎn)生一個或多個邊緣場。例如，接著在顯示裝置中可發(fā)生邊緣場轉(zhuǎn)換，其中顯示裝置包括由若干鄰近的LC裝置和/或 LC元件構(gòu)成的電極。還可在LC相對側(cè)上進(jìn)一步提供電極。在這種情況下，可直接從LC的兩側(cè)產(chǎn)生平面電場。電極可包括叉指電極，例如在位于一個基板上的一層內(nèi)。這種叉指電極可形成于基板上的絕緣層內(nèi)，且由基板上的絕緣層間隔開。類似的，電極可包括位于一個層上的叉指電極以及由一個基板上的絕緣層間隔開的另一層上的平面電極。還可提供上述液晶裝置，其配置成當(dāng)施加電場時，手性向列型液晶的光軸在垂直于本地電場分量的平面中旋轉(zhuǎn)。這可在不施加電場的情況下大致相對于LC光軸布置的電極而實現(xiàn)(見圖1)。然后，當(dāng)施加電場時，手性向列LC的光軸優(yōu)選在電極平面中取向。優(yōu)選的，旋轉(zhuǎn)將光軸對準(zhǔn)或朝向電場分量。更通常而言，垂直于本地電場分量的平面可垂直于電場局部取向，和/或可垂直于電極平面。還可進(jìn)一步提供上述液晶裝置，其被配置成在施加電場時大體垂直于電場的方向上大體與液晶分子導(dǎo)向器完全對準(zhǔn)。這可大體跨過所有的LC而施加，或者將其施加到對于其而言是本地電場分量的LC區(qū)域。此外，上述也可以通過在不施加電場情況下大致相對于 LC光軸來布置電極而實現(xiàn)(見圖1)。該導(dǎo)向器可以是在分子螺旋布置中的一個點處的局部導(dǎo)向器。優(yōu)選的，局部液晶分子導(dǎo)向器的完全對準(zhǔn)是在大體垂直于電極平面的方向上。還可進(jìn)一步提供上述液晶裝置，其中所述至少兩個電極配置成大體完全垂直于手性向列型液晶螺旋軸來施加所述電場，即，完全垂直于零場螺旋軸。(在這種情況下，電場可被認(rèn)為是電場分量)。因此，大體不存在不垂直于螺旋軸的電場分量。因此，對于諸如顯示單元的液晶裝置而言，電場則可能在“一個面內(nèi)”?！按篌w完全垂直于手性向列型液晶螺旋軸，即，完全垂直于零場螺旋軸”的上述描述可能涉及到對于螺旋布置而言的本地電場或在整個LC上均勻施加的電場。上述“大體完全垂直于……”的所述電場的施加通常涉及施加電場的時機，即螺旋布置由于旋轉(zhuǎn)而做出響應(yīng)之前的時刻。還可進(jìn)一步提供上述液晶設(shè)備，其中螺旋布置具有螺距，這樣通過手性向列型液晶(LC)的所述偏振光的傳輸在不存在所述電場分量的情況下實質(zhì)上完全阻斷，例如在電場徹底不存在的情況下。因此，螺距是短的，也就是說，比可見光的波長更短，即小于380nm， 這樣液晶大體各向同性。此外，LC會可具有超扭曲結(jié)構(gòu)。(螺距可定義為平行于螺旋軸的在螺旋上的兩點之間的距離，其中螺旋分子的取向已經(jīng)轉(zhuǎn)過360度)。例如在垂直入射下， 液晶可如上所述為各向同性。在任何實施例中，螺旋布置的螺距優(yōu)選是短螺距。(在本說明書中，涉及的任何光線可是可見光，即在約380nm至約750nm包括 380rmm和750nm的波長范圍內(nèi)。這例如可在裝置為如在此所述的顯示裝置、光閥或激光器的情況下施加。備選的，對于電信而言，例如，波分復(fù)用(WDM)應(yīng)用，光可在1550nm的量級， 例如，光通信C波段(1530nm到1565nm)，和/或可覆蓋光通信L波段(1565nm到1625nm)。 在此所述的光波導(dǎo)器件，光可變衰減器，光開關(guān)和激光器可用于電信應(yīng)用)。還可進(jìn)一步提供上述液晶裝置，其中所述大體完全阻斷是阻斷至少約95%，或優(yōu)選超過約98%或超過約99%的偏振光。阻斷的傳輸至少是平行于零場螺旋軸的傳輸。例如對于顯示應(yīng)用而言，該裝置可能會阻斷非偏振光，例如該裝置包括一個或多個偏振器，以便阻斷具有特定偏振的光部分。(偏振器可至少存在于裝置的輸出側(cè)上，或如在此進(jìn)一步所述的，可設(shè)置交叉偏振器)。阻斷傳輸(例如，所有傳輸或至少平行于零場螺旋軸的傳輸) 可能同樣是約95%，優(yōu)選超過約98%或超過約99%。因而在阻斷非偏振光和/或偏振光的實施例中，阻斷的程度可在非直角之處較低。還可進(jìn)一步提供上述液晶裝置，其中零場螺旋布置的螺距小于380nm( S卩，比可見光的最短波長要短)，優(yōu)選小于約^Onm，以及更優(yōu)選小于約150nm( “小于約^Onm”包括 260nm)。然而，對于給定實施例而言螺距優(yōu)選的特定值可大于或小于380nm和/或可依賴于LC雙折射。然而，在任何實施例中，液晶優(yōu)選是短螺距液晶。還可進(jìn)一步提供上述液晶裝置，其中手性向列型液晶沿平行于零場螺旋軸的方向具有一定厚度，這樣通過平行于零場螺旋軸的LC傳播(傳輸)的所述偏振光在存在電場的情況下大體完全通過所述手性向列型液晶傳輸。還可進(jìn)一步提供上述液晶裝置，其中液晶裝置是液晶單元，其具有的厚度優(yōu)選小于約20um(例如約5um)，以及更優(yōu)選小于約4. 5um(例如4. 3um)。還可進(jìn)一步提供上述液晶裝置，其配置成通過所述電場的施加來操作成具有一定的比率，例如，在電場存在的情況下所述偏振光的傳輸與在電場不存在的情況下所述偏振光的傳輸(至少平行于零場螺旋軸)的比率大于約1000 1，優(yōu)選大于約6000 1，優(yōu)選在垂直入射角處。例如，電極可配置成具有適當(dāng)?shù)拈g隔，以便允許該裝置通過足以將螺旋完全對準(zhǔn)成垂直于零場螺旋軸的電壓來驅(qū)動。此外，該裝置優(yōu)選沒有擊穿電壓以防止具有上述比率。還可進(jìn)一步提供上述液晶裝置，其配置成通過所述電場的施加(例如，至少電極被間隔開和/或沒有以上的擊穿電壓)來操作成從電極之間不存在電位差的情況即零場條件下開始將所述螺旋布置與垂直于零場螺旋軸施加的電場大體完全對準(zhǔn)(即允許大體完全傳輸輸入光)的時間少于約50ms，優(yōu)選少于約1. 5ms，更優(yōu)選少于約1ms，甚至更優(yōu)選在 100微秒的量級的時間內(nèi)。上述時間就是期間施加和維護電場的時間。這種維護優(yōu)選有效切換到傳輸狀態(tài)。還可進(jìn)一步提供上述液晶裝置，其配置成通過所述電場的移除(例如，至少電極被間隔開和/或沒有以上的擊穿電壓)來操作成從其中螺旋布置與通常垂直于零場螺旋軸施加的電場大體完全對準(zhǔn)的傳輸狀態(tài)開始將所述螺旋布置大體完全恢復(fù)對準(zhǔn)的時間少于約50ms，優(yōu)選少于約lOOus。還可進(jìn)一步提供上述液晶裝置，還包括至少兩個偏振器，每個偏振器具有偏振軸，其中所述兩個偏振器是交叉偏振器；并且所述手性向列型液晶設(shè)置于所述交叉偏振器之間。對于交叉偏振器而言，偏振器的偏振軸之間的夾角不為零，也就是說，軸不對準(zhǔn)，優(yōu)選約90度的角度。(備選的，偏振器可在約45度的角度)。偏振器的平面本身優(yōu)選大致平行。 這種裝置可進(jìn)一步包括一個基板，例如硅基板，其上設(shè)置所述交叉偏振器。例如，如果液晶單元具有堆疊結(jié)構(gòu)且僅存在兩個偏振器的情況下，一個偏振器可位于基板上。還可進(jìn)一步提供上述液晶裝置，其中在所述手性向列型液晶的鄰近所述偏振器的每個表面處的光軸與每一所述交叉偏振器的偏振軸成約45度的角度。還可進(jìn)一步提供上述液晶裝置，其中液晶包括諸如BDHU81的手性摻雜劑。還可進(jìn)一步提供上述液晶裝置，還包括內(nèi)部基板，具有單向增強的聚酰亞胺對準(zhǔn)層。這在不存在場的情況下獲得直立螺旋和/或在場處于“啟用”狀態(tài)(或在處于“啟用” 狀態(tài))獲得平面對準(zhǔn)向列會是尤其有利的。優(yōu)選的，裝置包括USH(均勻直立螺旋)液晶。還可提供上述液晶裝置，還包括一種補償板，例如，光學(xué)補償膜。這種板會對光進(jìn)行擴散和/或相延遲以便擴大光輸出角度，例如顯示所用裝置的視角。該板(另外或備選可為補償板)可以是擴散板。擴散板和/或補償板可對光進(jìn)行擴散和/或相延遲。優(yōu)選的，視角的范圍通過使用這種板而增加，在該范圍內(nèi)圖像質(zhì)量優(yōu)良，甚至在光從大體所有角度傳出的實施例中，例如，在從裝置的平面輸出表面的完整的180度范圍內(nèi)。還可進(jìn)一步提供液晶裝置，其中手性向列型液晶包括染料，諸如二向色性的染料， 多色性熒光染料和/或多個不同顏色的染料。(例如，不同顏色染料的顏色可能是紅色，黃色和藍(lán)色的)。染料可為吸收性或熒光染料。然后可觀察染料宿主的效果，其中染料分子隨著上述螺旋旋轉(zhuǎn)重新定位，這樣染料效果隨著電場施加而有效地開/關(guān)切換。在這種實施例中，在提供輸入和/或輸出偏振器方面存在較少優(yōu)勢。如上所述，還可進(jìn)一步提供液晶裝置，其包括所述手性向列型液晶和聚合物的組分。還可進(jìn)一步提供液晶裝置，其包括至少一個反射器，其中所述至少一個反射器優(yōu)選是金屬的，電介質(zhì)(例如介電鏡)的，有色的，吸收性的和/或熒光的。(彩色和吸收性的反射器選擇性地反射顏色/波長)。在LC 一側(cè)上接收可控光且從相同側(cè)反射成為輸出的情況下上述可能是有利的，例如光是諸如陽光的環(huán)境光的情況。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種顯示裝置，例如包括若干上述液晶裝置。這種顯示裝置例如可以是適于監(jiān)測器、手機、電腦、電視等的IXD顯示器(優(yōu)選平板)。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供包括上述液晶裝置的光波導(dǎo)器件。這種光波導(dǎo)器件例如可用于光計算、電信或激光的應(yīng)用，例如，光纖到光纖的互連。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種包括上述液晶裝置的可變光衰減器(VOA)。這種可變光衰減器(VOA)可以是一個光學(xué)衰減器，其通過電場的施加來控制偏振光的衰減程度，例如光通信信號的幅度調(diào)節(jié)或均衡來進(jìn)行操作。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供包括液晶裝置的激光器，其中手性向列型液晶包括 (例如摻雜有)諸如激光染料(例如作為包括激光染料分子的一個解決方案，其可加到溶液中)、熒光染料和/或量子點的采光器。染料可附著到液晶分子，例如采光器也可包括通過化學(xué)或合成附著到采光器部分的介晶基團，以提高主型液晶內(nèi)的溶解度和主型液晶內(nèi)采光基團的排序。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種包括上述液晶裝置的例如適用于WDM系統(tǒng)中的光學(xué)開關(guān)或光閥，以便阻斷WDM信道或單波長信號。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供光從液晶裝置輸出的方法，包括將電場施加到所述裝置的手性向列型液晶的液晶分子的螺旋布置；以及所述螺旋布置旋轉(zhuǎn)以便將螺旋布置的螺旋軸與所述電場對準(zhǔn)，其中所述手性向列型液晶具有負(fù)介電各向異性，而所述螺旋布置具有小于380nm的螺旋螺距。該方法可進(jìn)一步包括移除電場以便將螺旋軸取向恢復(fù)到在施加所述電場之前所存在的取向。該裝置可進(jìn)一步包括至少一個偏振器，例如，可在交叉偏振器之間提供液晶分子的螺旋布置。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供用于控制偏振光傳輸?shù)姆椒ǎㄊ┘涌邕^交叉偏振器之間設(shè)置的手性向列型液晶的電場，其中液晶具有負(fù)介電各向異性以及在不存在電場的情況下的液晶分子的螺旋布置，其中所述電場具有垂直于手性向列型液晶螺旋軸即垂直于零場螺旋軸的分量。(然而，這種方法可在不存在偏振器、或僅存在單個偏振器的情況下執(zhí)行)。在一個實施例中，這種方法可以控制非偏振光的傳輸。還可進(jìn)一步提供上述方法，其中所述螺旋布置的螺距小于380nm，優(yōu)選小于約 260nm，更優(yōu)選小于約150nm。因此，螺旋布置的螺距再次短于可見光的最短波長。然而，如上所述，對于給定實施例而言螺距優(yōu)選的特定值可大于或小于380nm和/或可取決于LC雙折射。然而，在任何實施例中，液晶優(yōu)選是短螺距液晶。還可進(jìn)一步提供上述方法，其中施加電場，使得液晶分子具有螺旋布置，當(dāng)施加電場且優(yōu)選維持電場時，螺旋布置的螺旋軸與所述電場對準(zhǔn)。因此，保持螺旋布置，以及螺旋軸朝向與所施加電場對準(zhǔn)的方向旋轉(zhuǎn)以便將裝置設(shè)置為傳輸狀態(tài)，對于分子旋轉(zhuǎn)螺旋布置而言，電場是本地的。優(yōu)選的，施加電場，使得手性向列LC的光軸對準(zhǔn)到電極平面內(nèi)且平行于電場。更具體而言，施加電場，使得手性向列LC的光軸對準(zhǔn)到大體平行于電極平面和/ 或大體平行于電場。還可進(jìn)一步提供上述方法，其中施加電場，使得手性向列型液晶的光軸大體垂直于電場分量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，所施加的電場為電場分量，即完全垂直于零場螺旋軸的本地電場。優(yōu)選的，旋轉(zhuǎn)將光軸對準(zhǔn)或朝向電場分量。更通常而言，垂直于本地電場分量的平面可垂直于電場本地取向，和/或可垂直于電極平面。還可進(jìn)一步提供上述方法，其中大體完全垂直于螺旋布置的螺旋軸來施加電場。還可進(jìn)一步提供上述方法，包括優(yōu)選從零磁場條件下，開始在少于約50ms，優(yōu)選等于或少于約1. 5ms，更優(yōu)選等于或少于約Ims的時間段內(nèi)連續(xù)施加所述電場分量，以便大體將所述螺旋布置與電場大體完全對準(zhǔn)。還可進(jìn)一步提供上述方法，包括優(yōu)選從傳輸狀態(tài)(其中螺旋布置與垂直于零場螺旋軸施加的電場大體完全對準(zhǔn))開始在少于大約50ms、優(yōu)選等于或小于約lOOus、更優(yōu)選等于或少于約35us的時間段內(nèi)連續(xù)移除所述電場分量，以便大體完全恢復(fù)所述螺旋布置的對準(zhǔn)。所恢復(fù)的對準(zhǔn)是零場螺旋軸的方向。當(dāng)完全恢復(fù)時，LC可能會返回到螺旋結(jié)構(gòu)，這樣永久性不存在電場。還可進(jìn)一步提供上述方法，包括根據(jù)預(yù)定的傳輸灰度來施加所述電場。因此，電場強度可不斷變化，以獲得在完全黑暗和充分透射狀態(tài)之間的模擬變化的傳輸程度。根據(jù)一種布置，提供適于控制偏振光的傳輸?shù)囊壕аb置，其包括手性向列型液晶 (LC)，其具有在電場不存在的情況下成螺旋布置的液晶分子；和至少兩個電極，其用于施加具有垂直于手性向列型液晶螺旋軸的分量的電場，其中手性向列型液晶具有負(fù)介電各向異性，這樣當(dāng)施加電場時，手性向列型液晶的光軸在垂直于電場分量的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選的， 當(dāng)施加電場時，手性向列型液晶的光軸旋轉(zhuǎn)以便與電場分量對準(zhǔn)。(由于LC具有負(fù)介電各向異性，此外或備選的具有負(fù)介電常數(shù)，因此其它類似的布置可能會有所不同)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供用控制光傳輸?shù)囊壕аb置，包括發(fā)射所述光的光源；手性向列型液晶，其在不存在電場的情況下具有成螺旋布置的液晶分子；和用于施加電場的至少兩個電極，所述電場具有垂直于手性向列型液晶螺旋軸的分量，其中手性向列型液晶具有負(fù)介電各向異性，且為具有短于所述光最短波長的螺距的液晶。優(yōu)選的，LC是 USH(通常而言，USH是在不存在電場的情況下的一種布置)，裝置的電極是平面電極，和/或裝置可用作交叉偏振器之間的強度調(diào)制器。可控光可以是偏振光或非偏振光。下述方面通常涉及利用具有正介電各向異性的LC的實施例。(至于利用負(fù)介電各向異性的方面，在此對短螺距的所有參考值可采用平均值，其中螺距短于、優(yōu)選大體短于可控光的波長，或者更具體的，比可見光波長更短，即比380nm短。該裝置可具有發(fā)出可控光的光源。該裝置可用于控制偏振光和/或非偏振光)。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供用于控制光從所述裝置輸出的液晶裝置，該裝置包括手性向列型液晶，其具有成螺旋布置的液晶分子且具有正介電各向異性；用于施加電場的至少兩個電極，所述電場具有垂直于手性向列型液晶螺旋軸的分量，其中手性向列型液晶優(yōu)選具有短于所述光最短波長的螺距；液晶因此導(dǎo)致分子的螺旋布置朝向與電場對準(zhǔn)的方向旋轉(zhuǎn)，優(yōu)選與本地電場對準(zhǔn)，其中液晶以進(jìn)一步包括聚合物的組分提供。提供聚合物有利地穩(wěn)定液晶的螺旋布置，其中一個優(yōu)勢是減少裝置的開關(guān)時間。該聚合物可為單丙烯酸酯或二丙烯酸酯的形式。優(yōu)選的，在電場不存在情況下的螺旋布置包括一個直立螺旋布置，即不是ULH(均勻臥倒螺旋)，例如，可以是USH(均勻直立螺旋)。光可以是或不是偏振光。下述涉及該方面的可選功能(以及其它方面通常涉及利用具有正介電各向異性的LC的實施例，如下面進(jìn)一步所述的那樣)。密切對應(yīng)于上述方面優(yōu)選特征的這些優(yōu)選特征通常涉及利用具有負(fù)介電各向異性的LC的實施例。因此，上述提供的更詳細(xì)描述還通常用于涉及利用具有正介電各向異性的LC的實施例。首先，在所述電場存在的情況下，手性向列型液晶分子可螺旋布置，在所述電場存在情況下的所述螺旋布置的螺旋軸與施加到所述分子的所述電場對準(zhǔn)。液晶螺旋布置可介電耦合到電場以便在取決于電場方向的方向上旋轉(zhuǎn)所述螺旋布置的螺旋軸。該裝置可配置成當(dāng)施加電場時手性向列型液晶的光軸在垂直于電場分量的平面上旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)優(yōu)選將光軸對準(zhǔn)電場。至少兩個電極可配置成大體完全垂直于手性向列型液晶螺旋軸來施加所述電場。螺旋布置可具有螺距以至于在所述電場分量不存在的情況下大體完全阻斷所述光傳輸通過所述手性向列型液晶，優(yōu)選阻斷至少約95% 的光。LC可小于380nm，優(yōu)選小于約^Onm，更優(yōu)選小于約150nm。手性向列型液晶可具有厚度以至于在所述電場存在的情況下所述光大體完全傳輸通過所述手性向列型液晶。該裝置可配置成通過所述電場的施加來操作成具有一定的比率，在電場存在的情況下所述光的傳輸與在電場不存在的情況下所述光的傳輸?shù)谋戎荡笥诩s1000 1，優(yōu)選大于約6000 1。 該裝置可通過所述電場的施加來操作成在少于約50ms，優(yōu)選少于約Ims內(nèi)將所述螺旋布置大體完全對準(zhǔn)所述電場分量。該裝置可配置成通過所述電場的移除來操作成在少于約 50ms，優(yōu)選少于約IOOus內(nèi)大體完全恢復(fù)所述螺旋布置的對準(zhǔn)。該裝置可進(jìn)一步包括至少有兩個偏振器，每個偏振器具有一個偏振軸，其中所述兩個偏振器是交叉偏振器；并且所述手性向列型液晶設(shè)置于所述交叉偏振器之間。液晶可包括具有聚合物的組分，以便穩(wěn)定液晶分子布置，優(yōu)選減少裝置的開關(guān)響應(yīng)時間。該聚合物可為單丙烯酸酯或二丙烯酸酯的形式。手性向列型液晶可包括染料，諸如二向色性的染料，多色性熒光染料和/或多個不同顏色的染料。該裝置可具有進(jìn)一步包括聚合物組分的手性向列型液晶。該裝置可包括至少一個反射器，其中所述至少一個反射器優(yōu)選的是金屬的，電介質(zhì)的，有色的，吸收性和/或熒光性的。至少兩個電極可大體位于同一平面內(nèi)。還可任選提供具有若干液晶裝置的顯示設(shè)備、包括液晶裝置的光波導(dǎo)器件、包括液晶裝置的可變光衰減器、包括液晶裝置的光開關(guān)、包括液晶裝置的光關(guān)斷器件、或包括液晶裝置的激光器，其中手性向列型液晶包括諸如激光染料，熒光染料和/或量子點的采光器。在每一種情況下，該裝置可為利用正介電各向異性的裝置方面的任何一個，如在此所述的那樣。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，即利用正介電各向異性，提供用于控制光從液晶裝置輸出的方法，該裝置包括手性向列型液晶，具有成螺旋布置的液晶分子以及具有正介電各向異性；且進(jìn)一步包括至少兩個電極，用于施加垂直于手性向列型液晶分子螺旋軸的電場，以進(jìn)一步包括聚合物的組分提供液晶，所述方法包括施加電場；以及朝向與電場對準(zhǔn)的方向旋轉(zhuǎn)螺旋布置，優(yōu)選與電場對準(zhǔn)。優(yōu)選的，在電場不存在的情況下，螺旋布置不是ULH，例如，可能是USH。通常涉及利用具有正介電各向異性的LC的實施例的各方面的上述任選特征可相應(yīng)于該方面來執(zhí)行。仍然根據(jù)本發(fā)明的另一方面，其可以根據(jù)上述“第二這種方面”的方法和其任選特征來執(zhí)行，提供用于控制光從液晶裝置輸出的方法，該裝置包括手性向列型液晶，具有成螺旋布置的液晶分子以及具有正介電各向異性；且進(jìn)一步包括至少兩個電極，用于施加垂直于手性向列型液晶分子螺旋軸的電場，其中在電場不存在的情況下，手性向列型液晶的螺旋布置和光軸取向成使得入射到裝置上的任何線性偏振光的偏振狀態(tài)垂直于光軸和螺旋布置，以及液晶包括具有聚合物的組分，在宿主型手性液晶中聚合物的濃度優(yōu)選在約0. 1% 和約30% w/w之間，該方法包括施加電場以便旋轉(zhuǎn)手性向列型液晶的螺旋布置和光軸，以便與由電極限定的平面對準(zhǔn)或部分對準(zhǔn)；以及在移除電場后，將光軸和螺旋布置恢復(fù)到施加電場之前的狀態(tài)。如上所述，在電場不存在的情況下，手性液晶的螺旋布置和光軸取向成使得入射到裝置上的任何線性偏振光的偏振狀態(tài)垂直于光軸和螺旋布置，即，該方法優(yōu)選不使用ULH LC裝置，例如，可以使用USH LC裝置。對準(zhǔn)或部分對準(zhǔn)由電極限定的平面可為大體平行于電極平面的平面。仍然根據(jù)本發(fā)明的另一方面，其可以根據(jù)上述“第一這種方面”和其任選特征來提供，提供用于控制光從裝置輸出的液晶裝置，該裝置包括手性向列型液晶，具有成螺旋布置的液晶分子以及具有正介電各向異性；且進(jìn)一步包括至少兩個電極，用于施加垂直于手性向列型液晶分子螺旋軸的電場，所述裝置包括液晶，使得在電場不存在的情況下，手性向列型液晶的螺旋布置和光軸取向成使得入射到裝置上的任何線性偏振光的偏振狀態(tài)垂直于光軸和螺旋布置，以及液晶包括具有聚合物的組分，在宿主型(host)手性液晶中聚合物的濃度優(yōu)選在約0. 和約30% w/w之間，液晶是這樣的，以至于施加電場以便旋轉(zhuǎn)手性向列型液晶的螺旋布置和光軸，以便與由電極限定的平面對準(zhǔn)或部分對準(zhǔn)；液晶是這樣的，以至于以及在移除電場后，將光軸和螺旋布置恢復(fù)到施加電場之前的狀態(tài)。對準(zhǔn)或部分對準(zhǔn)由電極限定的平面可為大體平行于電極平面的平面。仍然根據(jù)本發(fā)明的另一方面，其可以根據(jù)上述“第二這種方面”的方法和其任選特征來執(zhí)行，提供用于控制光從液晶裝置輸出的方法，該裝置包括手性向列型液晶，具有成螺旋布置的液晶分子以及具有正介電各向異性；且進(jìn)一步包括至少兩個電極，用于施加垂直于手性向列型液晶分子螺旋軸的電場，所述方法包括施加電場以便將手性向列型液晶的螺旋布置和光軸旋轉(zhuǎn)成與由電極限定的平面對準(zhǔn)或部分對準(zhǔn)；在移除電場后，光軸和螺旋布置仍保持與由電極限定的平面對準(zhǔn)或部分對準(zhǔn)；以及施加另外電場的至少一個另外電極，所述至少一個另外電極取向成大體垂直于螺旋布置的旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)光軸來施加所述另外的電場。旋轉(zhuǎn)光軸可稱為誘導(dǎo)光軸。如上所述，液晶是這樣的，以至于在電場不存在的情況下，手性向列型液晶的螺旋布置和光軸取向成使得入射到裝置上的任何線性偏振光的偏振狀態(tài)垂直于光軸和螺旋布置，即，該方法優(yōu)選不使用ULH LC裝置，例如，可以使用USH LC 裝置。對準(zhǔn)或部分對準(zhǔn)由電極限定的平面可為大體平行于電極平面的平面。在從屬權(quán)利要求中限定優(yōu)選實施例。


為了更好地理解本發(fā)明以及示出如何有效執(zhí)行本發(fā)明，現(xiàn)在通過實例的方式來參照附圖進(jìn)行說明，其中圖1示出了根據(jù)一個實施例的裝置示意圖，包括示出操作原理；圖加示出裝置的透光率作為所施加電場函數(shù)的實驗結(jié)果；圖2b示出表明裝置上升時間和衰減時間的光響應(yīng)；圖3示出安裝于適于不同電場強度的燈箱上的裝置單元的照片；圖如示出適于具有補償板的裝置的異對比曲線；圖4b示出適于沒有補償板的裝置的異對比曲線；圖fe-c示出裝置的CIE圖；圖5d示出適于裝置的彩色等高線圖；圖6示出具有如圖1中結(jié)構(gòu)的另一實施例的N*LC的顯微照片；圖7示出其它實施例的電光特性；圖8示出適于所有電誘導(dǎo)ULH裝置相對于傳統(tǒng)(手動)誘導(dǎo)的數(shù)據(jù)；圖9示出ULH裝置的示意圖；圖10示出聚合物穩(wěn)定的短螺距LC裝置的傳輸電壓特性；以及圖11示出一種布置，其中短螺距螺旋液晶如在此進(jìn)一步描述的那樣進(jìn)行開卷。
具體實施例方式液晶顯示器的發(fā)展是眾所周知的，在許多文獻(xiàn)報告中進(jìn)行了詳細(xì)論述。目前強烈趨向于更快響應(yīng)、高對比度、顯示模式、能夠結(jié)合場順序產(chǎn)生顏色。這種裝置將具有許多益處，諸如更高的分辨率和更低的功耗，其原因在于不需要濾色器。該裝置不僅保留現(xiàn)有顯示器的良好性能，而且還具有快速響應(yīng)時間，因此是相當(dāng)有吸引力的。諸如鐵電和均勻臥倒螺旋的鐵電LC的其它快速切換LC技術(shù)，難于在大范圍上均勻?qū)?zhǔn)。手性向列型顯示器可使用傳統(tǒng)的電極或在平面電極。這種設(shè)備通常會基于在操作波長范圍內(nèi)的選擇性反射的效果。這種裝置可利用短螺距的手性向列而產(chǎn)生，這樣選擇性反射的范圍低于操作波長的范圍。手性向列會與垂直于設(shè)備平面的螺旋軸對準(zhǔn)各種稱為 “直立螺旋”，“平面對準(zhǔn)”，或“格朗讓”("Grandjean”)配置。對于足夠短的螺距而言，結(jié)構(gòu)在垂直入射時實際上是光學(xué)各向同性的，導(dǎo)致交叉偏振器之間的黑暗狀態(tài)。對于正手性向列型LC邊緣場的應(yīng)用，可能會由于接近電極的非均勻電場分布而出現(xiàn)電極區(qū)域上的焦錐缺陷。我們描述了利用負(fù)介電常數(shù)的手性向列型LC和平面電極的裝置實施例的操作。 在這種情況下，了解到切換機制是新的，電極附近的結(jié)構(gòu)擾動被最小化。發(fā)現(xiàn)螺旋結(jié)構(gòu)在直立-螺旋和臥倒-螺旋構(gòu)造(配置)之間切換，如圖1中示意示出的那樣。根據(jù)LC介電響應(yīng)可以理解該效果。為了示出裝置實施例和特性，圖1示意性示出了裝置的操作原理(a)在沒有施加電場的情況下，手性向列型液晶在交叉偏振器之間是光學(xué)各向同性的，裝置處于“關(guān)閉”(“OFF”)狀態(tài)；以及(b)在平面內(nèi)施加電場時，電場導(dǎo)致螺旋軸處于裝置的平面內(nèi)，導(dǎo)致傳輸，裝置處于“啟用”(“ON”)狀態(tài)。圖6示出具有負(fù)介電各向異性和370nm螺距的 N*LC的顯微照片(a)不施加場，以及在施加400VPP和頻率的平面電場下；以及(b)30Hz， (c) IkHz, (d) 1kHz，且單元旋轉(zhuǎn)15度，(e) 1kHz，且單元旋轉(zhuǎn)25度；以及(f) 1kHz，且單元旋轉(zhuǎn)45度。圖3示出適于六個不同電場強度的在燈箱上交叉偏振器之間的4. 3微米單元的照片。電光單元在尺寸上約Icm χ 1cm，以及偏振器覆蓋整個視域。交叉偏振器以45度與電極平面對準(zhǔn)。圖7示出在交叉偏振器之間在IkHz下的裝置電光特性。(a)傳輸-電壓形態(tài)。(b) 10-90%打開以及90-10%的關(guān)閉響應(yīng)時間。圖6的N*LC可稱為膽甾醇/手性向列型液晶(注意膽留醇和手性向列以互換使用)。在電場不存在的情況下，螺旋垂直于基板的平面對準(zhǔn)，其中在表面處的分子對準(zhǔn)取向與偏振器和分析儀(圖la)的傳輸軸成45度。在這種情況下，裝置在交叉偏振器之間顯示黑色。在施加電場的情況下，當(dāng)螺旋軸沿電場對準(zhǔn)時，具有負(fù)介電各向異性的手性向列的自由能最小化。因此，對于平面場而言，手性向列會趨于切換到臥倒-螺旋配置。這種效應(yīng)由長螺距系統(tǒng)(一5微米)中的熒光共聚焦圖像來證實。在平面位置中，LC的雙折射會導(dǎo)致光傳輸。這在半波片條件2d I AneffI = λ下將被優(yōu)化，其中d是液晶層LC的厚度， Anrff是手性向列的有效(負(fù))雙折射，以及λ是光的波長。通過下述來制備樣本使用精密天平(Mettler Toledo)將低重量濃度的高扭曲功率的手性摻雜劑(BDH1305，Merck KGaA，螺旋扭曲功率60 μ πΓ1)加入到成具有負(fù)介電各向異性(Δ ε -4)和雙折射Δη 0.07(內(nèi)部混合物)的向列型液晶內(nèi)進(jìn)行混合。樣本被放置于溫度為100°C的烘箱內(nèi)持續(xù)M小時的時間段，以確保通過熱擴散將組分充分混合。由此產(chǎn)生的混合物通過毛細(xì)管填充到d = 4. 3 μ m的間隔開的單元內(nèi)，該單元在內(nèi)部基板上具有單向增強的聚酰亞胺對準(zhǔn)層，以在電場不存在的情況下獲得直立螺旋。為了將電場施加到垂直于螺旋軸的樣本上，采用光刻將銦錫氧化物(ITO)涂覆到表面上以便提供叉指電極(圖1)。電極間距和寬度分別為15微米和5微米。(一般情況下，選擇如BDH1305或BDHU81的摻雜劑是一個實際問題，例如針對在特定宿主型LC內(nèi)的溶解度等。因此，選定的摻雜劑可提供扭曲或超扭曲的LC。對于取決于光學(xué)中性以便成為光學(xué)活性的開關(guān)實驗而言(諸如在此描述的負(fù)介電各向異性的實施例， 以及在后面說明書中描述的正介電各向異性的具有聚合物系統(tǒng)的實施例)，它們可被描述為(稱為)高度扭曲的，因為這對于為光學(xué)中性的層在零場下到可見光波長是有利的。例如在實驗中，螺旋軸被誘導(dǎo)到平面內(nèi)，然后通過第三電極處理，這不是規(guī)定該系統(tǒng)是高度扭曲的)。所有測量均在25°C的恒溫下進(jìn)行。手性向列型液晶的均勻?qū)?zhǔn)通過利用光學(xué)偏光顯微鏡(BH-2，奧林巴斯)來證實。利用信號發(fā)生器(TG1304，Thurlby Thandar)和高壓放大器(內(nèi)部構(gòu)建)來施加電場。利用安裝于顯微鏡光電管內(nèi)和連接到數(shù)字示波器的光電二極管來獲得傳輸-電壓曲線和光響應(yīng)。利用Cannon Ixus-700相機和白色光源(0SL1-EC照明燈，Thorlab Inc)來獲得單元照片。利用USB2000光譜儀(Ocean Optics)來測量光譜。圖6的顯微照片表明在系統(tǒng)中確實獲得了臥倒螺旋配置。此外，觀察到單元沒有破壞性的缺陷結(jié)構(gòu)。為了清晰起見，最初采用370nm的螺距，它在場關(guān)閉(無場)狀態(tài)下具有相當(dāng)大的透光率(圖6a)。當(dāng)相對于交叉偏振器旋轉(zhuǎn)過LC的角度時，這允許在上述區(qū)域和兩者之間的電極之間進(jìn)行比較。在施加電場的情況下，觀察到在電極之間的結(jié)構(gòu)均勻 (圖6b-f)。觀察到直立螺旋結(jié)構(gòu)在電極上方大致維持不變。隨著偏振器在平行和垂直于平面場的方向上對準(zhǔn)，觀察到電極之間的區(qū)域是非透光的(圖6b-c)。隨著偏振器旋轉(zhuǎn)過相應(yīng)角度，識別到臥倒螺旋紋結(jié)構(gòu)的特征(圖6d-e)。在45度的相應(yīng)角度下，從電極之間的該區(qū)域的傳輸是最大化的(圖6f)。在“啟用”和“關(guān)閉”切換處理過程中，發(fā)生裝置的光響應(yīng)，但不會破壞焦錐域或油性條紋結(jié)構(gòu)。此外，透射光譜表明在施加電場之后，手性向列光子帶隙藍(lán)移。這提供了進(jìn)一步證據(jù)證明螺旋軸旋轉(zhuǎn)到平面配置，而不是松卷。在圖3中示出適于^Onm螺距的裝置的操作。安裝在燈箱上的交叉偏振器之間的測試單元的照片代表不同電場強度。在電場不存在的情況下，單元是光學(xué)上黑暗的，在單元和僅僅交叉偏振器的背景區(qū)域之間不存在明顯差別。隨著場強度的增加，透光率(光傳輸) 以可控的平穩(wěn)方式增加。圖7a示出裝置所測量的透光率為所施加電場函數(shù)(隨著所施加電場而變化)。通過裝置的透光率的變化隨著場強度增加而增加，其中在大約δνμπΓ1下存在一個閾值。在 ^ ISVym"1下透光率達(dá)到飽和。圖7b中示出在施加和移除電場時切換機制的響應(yīng)時間。 分別從10-90%和90-10%的傳輸水平來測量打開時間(τ。η)和關(guān)閉時間(τ。ff)。在充分強度調(diào)制(18. 3νμ πΓ1)下，發(fā)現(xiàn)τ on = 0. 035ms,以及τ。ff = 1. 5ms。中檔的灰度級到灰度級的響應(yīng)在 0. 1毫秒的量級。通過測量場啟用透光狀態(tài)(臥倒螺旋)的亮度與關(guān)閉場“黑暗”狀態(tài)(直立螺旋) 的亮度的比率來確定裝置的對比度。通過下述從透射光譜確定亮度通過從380nm至780nm 波長的函數(shù)對強度進(jìn)行積分，通過光綠色分量的標(biāo)準(zhǔn)顏色匹配函數(shù)加權(quán)[E. Lueder, Liquid Crystal Displays :Addressing Schemes and Electro-Optical Effects(Wiley,2001), p. 137 ；J.Schanda, Colorimetry !Understanding the CIE System, (Wiley, Hoboken, 2007)]。發(fā)現(xiàn)在沒有任何光學(xué)補償膜或背光強度控制的情況下，通過實驗得到的對比度為 CR = 952 1。相比較而言，如果“關(guān)閉”狀態(tài)被僅僅認(rèn)為是交叉偏振器自身(不存在LC)， 則對比度CRmax= 1043 1。這表明在我們的實驗系統(tǒng)中可以實現(xiàn)裝置的黑暗狀態(tài)接近最黑暗的狀態(tài)。如果使用更高質(zhì)量的偏振器，和/或優(yōu)化半波片條件，則可預(yù)期CR是相當(dāng)高的。利用理論 Berreman 方法[D. W. Berreman，J. Opt. Soc. Am. 62，502，(1972).]，利用典型裝置參數(shù)螺距P = 263nm,厚度為4. 3 μ m，以及優(yōu)化的雙折射 0. 064，預(yù)計CR為3200 1。 在“關(guān)閉”狀態(tài)下的透光強度很大程度上取決于螺距(約P6)，因此更短的螺距會導(dǎo)致仍然相當(dāng)高的對比度。因此，實施例提供響應(yīng)時間彡1. 5ms以及對比度 1000 1的液晶顯示模式。材料的進(jìn)一步發(fā)展和裝置結(jié)構(gòu)的改善從而使△ ε值為絕對值更大的負(fù)值以及確保樣本的最大場強度，將有助于減少開關(guān)(切換)所需的施加(外加)電壓。結(jié)果表明，這種切換模式對于快速光閥和平板顯示模式而言具有相當(dāng)大的潛力。通常而言，在“具體實施例”標(biāo)題下開始的上述段落涉及到采用負(fù)電介質(zhì)材料的優(yōu)選高對比度手性向列型液晶裝置。所述液晶裝置的實施例利用具有負(fù)介電各向異性的短螺距O60nm)手性向列來證明。由于介電耦合，平面電場將液晶在直立螺旋(場關(guān)閉，“黑暗” 狀態(tài))和臥倒螺旋(場啟用，透光狀態(tài))配置(構(gòu)造)之間進(jìn)行切換。的說，因此同樣通常而言，與實驗相關(guān)的上述各段導(dǎo)致透光率為所施加場的函數(shù)(隨著所施加場而變化)，使其響應(yīng)時間(小于1. 5ms)，對比度(1000 1)。下面介紹為液晶單元形式的液晶裝置實施例。該裝置可有利地被用于提供例如具有100微秒響應(yīng)時間的高對比度液晶顯示模式。其可特別適用于例如大至100英寸的高清晰度平板電視屏幕。
實施例的開關(guān)(切換)模式基于手性向列型液晶，其具有負(fù)介電各向異性的平面電極和超扭曲結(jié)構(gòu)。(“平面內(nèi)”一般是指平行于由基板和/或裝置的偏振器定義的一個平面)。在電場不存在的情況下，作為螺旋結(jié)構(gòu)的非常短螺距( 150nm)的結(jié)果，LC會在交叉偏振器之間在光學(xué)上出現(xiàn)黑色。短螺距還有由于LC松弛到場關(guān)閉狀態(tài)的時間非常快(或小于ms的量級)而造成的進(jìn)一步后果。理論和實驗結(jié)果顯示與可控灰度相結(jié)合的非常高的對比度。實施例適用于液晶顯示器(IXD)，其涉及具有IOOHz以上刷新率的高清晰度圖像。 具體的，實施例的LC組件的響應(yīng)時間大體不會受到向列LC的固有粘彈性驅(qū)動松弛的限制?？衫弥T如鐵電和撓曲電的備選LC技術(shù)。不過，這些LC可能難以實現(xiàn)大規(guī)模的均勻?qū)?zhǔn)。當(dāng)以均勻的臥倒螺旋配置對準(zhǔn)時手性向列中的鐵電-光切換(例如與介電耦合相結(jié)合可導(dǎo)致光軸的快速平面旋轉(zhuǎn))也會遇到均勻?qū)?zhǔn)的類似問題。通過螺旋軸的幾何形狀旋轉(zhuǎn)成垂直對準(zhǔn)到基板，以及結(jié)合施加平面內(nèi)電場，只要螺旋結(jié)構(gòu)的螺距比入射輻射的波長小得多，則可構(gòu)造成快速調(diào)節(jié)偏振控制器。平面內(nèi)電場和直立螺旋幾何形狀的結(jié)合會導(dǎo)致由于介電和/或撓曲電耦合的螺旋變形而導(dǎo)致的光軸快速旋轉(zhuǎn)離面。在場“關(guān)閉”狀態(tài)下，手性向列型裝置在交叉偏振器之間為光學(xué)各向同性且沒有光傳輸(不透光)。然而，當(dāng)由于介電和/或撓曲電耦合光軸傾斜離面時，誘導(dǎo)雙折射以及裝置在交叉偏振器之間成為光學(xué)激活的。在第一實例下，這種控制器可適用于電信應(yīng)用， 由此入射輻射的波長為1550納米的量級，且這種液晶模式可進(jìn)一步適用于顯示應(yīng)用。對于基于介電和/或撓曲電切換的這種顯示模式發(fā)展而言，具有大的介電和/或撓曲電系數(shù)的化合物會是有利的。二量體(Bimesogenic)材料可滿足這些標(biāo)準(zhǔn)。(在本段中參考介電和 /或撓曲電耦合的所有上述通常是指與施加場的耦合，優(yōu)選介電耦合，其可任選與撓曲電耦合相結(jié)合，但是更優(yōu)選撓曲電系數(shù)最小化)。不過，即使沒有撓曲電切換，交叉偏振器之間的超扭曲手性向列的高衰變是極為另人感興趣的，尤其適于平面開關(guān)設(shè)備。在該方面，上述實施例會允許基于負(fù)介電各向異性手性向列以及涂覆到基板之一的內(nèi)表面上的平面電極的快速切換模式。實驗結(jié)果體現(xiàn)在透光率和裝置的響應(yīng)上，以及理論結(jié)果體現(xiàn)在異對比曲線和/或?qū)Ρ榷壬?。通過將低重量濃度的高扭曲功率的手性摻雜劑(BDHU81，Merck KGaA)分散到成具有負(fù)介電各向異性(Merck KGaA)的向列型液晶內(nèi)來制備樣本。這些化合物被用作標(biāo)準(zhǔn)的且不進(jìn)行進(jìn)一步純化。在精密天平(Mettler Toledo)上混合后，然后樣本被放置于烘箱內(nèi)持續(xù)M小時的時間段，以確保通過熱擴散將組分充分混合。之后，由此產(chǎn)生的混合物注入到4. 3微米的單元內(nèi)，該單元在內(nèi)部基板上具有單向增強的聚酰亞胺對準(zhǔn)層，以在電場不存在的情況下獲得直立螺旋，以及電場“啟用”狀態(tài)下獲得平面對準(zhǔn)向列。為了將電場施加到垂直于螺旋軸的樣本上，將銦錫氧化物(ITO)涂覆到表面上以便提供叉指電極。電極間距為9微米。所有測量均在25°C的恒溫下進(jìn)行。手性向列型液晶的均勻?qū)?zhǔn)通過利用光學(xué)偏光顯微鏡(BH-2，奧林巴斯)來證實。利用信號發(fā)生器(TG1304，Thurlby Thandar)和高壓放大器(內(nèi)部構(gòu)建)來施加電場。利用安裝于顯微鏡光電管內(nèi)和連接到數(shù)字示波器的光電二極管來獲得傳輸-電壓曲線和光響應(yīng)。利用Cannon Ixus-700相機和白色光源(0SL1-EC 照明燈，Thorlab Inc)來獲得單元照片。
圖1中示出包括示出操作原理的裝置的示意圖。圖2中示出作為所施加電場函數(shù)的透過率、以及證實上升時間和衰減時間的光學(xué)響應(yīng)的實驗結(jié)果。通過裝置的透光率的變化隨著場強度增加而增加，其中在大約6V/um下存在一個閾值。然后透光率隨著高達(dá)20V/ um的場強度而增加，其中20V/um點下透光率飽和。在該實驗性實例中的相當(dāng)高的閾值和飽和電壓可能是由于非常短的螺距和適當(dāng)較低負(fù)介電各向異性的結(jié)果。短螺距表明，較大的電場能量有利于通過旋轉(zhuǎn)進(jìn)行有效切換和/或克服螺旋扭曲能(例如如圖11中所示在該處發(fā)生松卷，備選的或者另外導(dǎo)致螺旋軸旋轉(zhuǎn))，而較低的負(fù)介電各向異性意味著場和LC 之間的耦合是相當(dāng)小的。另一方面，響應(yīng)是非常短的，以及這可由上升時間和衰減時間顯而易見。圖2b示出在輔助軸上繪制的LC相對于在主軸線上繪制的從OV/um到18V/um電場方波的光學(xué)響應(yīng)。由此看來，上升時間和衰減時間分別為1毫秒和100毫秒。發(fā)現(xiàn)上升時間取決于場強度，而衰減時間獨立于場強度。憑借介電耦合在場內(nèi)是二次(方形)的事實， 上升時間會是短的。另一方面，由于螺旋的非常短的螺距，衰減時間是短的。利用流體力學(xué)方面的考慮，可以表明響應(yīng)是螺距的二次。在圖3中示出適于不同電場強度的具有交叉偏振器之間且安裝在燈箱上的平面電極的4. 3微米厚的單元的照片?？梢钥闯觯瑔卧枪鈱W(xué)上黑暗的，在單元和僅僅交叉偏振器的背景區(qū)域之間不存在明顯差別。隨著場強度的增加，隨著螺旋結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，樣本的透光率越來越大。在接近閾值的3. 3V/um下透光率較小，且顯著增加，直到達(dá)到飽和。顯示在 16. 7V/um的場強度下具有最大亮度。因此，該裝置可有利地將灰度與短響應(yīng)時間相結(jié)合。圖4使用Berremarm 4X4矩陣來計算存在與不存在補償板情況下的異對比曲線。 這些結(jié)果是在單元厚度為4. 3微米、入射光波長為550納米以及Δη = λ/(2d) ( = 0. 064) 雙折射的情況下獲得的。在場“關(guān)閉”狀態(tài)下，波長的影響是微不足道的，然而，對于場“啟用”狀態(tài)，由于色散而依賴波長。在垂直入射角的情況下，對比度至少為一 1000 1，甚至高達(dá)65000 1，這是非常高的且是在電場不存在情況下由于超扭曲結(jié)構(gòu)而造成的高衰變的結(jié)果。在沒有C-板的情況下，顯而易見的是在斜視角的情況下對比度低于10 1，但是當(dāng)加入C-板時，對比度可增加。(這種C-板的一個實例是在加入液晶層和偏振器之后為增加的額外層形式的補償板以便增加顯示的視角。最后，為了檢查隨視角變化的色度變化，圖5中示出CIE圖。三幅圖示出對應(yīng)的不同極性和方位角度以及一幅圖示出顏色輪廓。每一個利用Berreman 4X4矩陣和標(biāo)準(zhǔn)光源 C來獲得。在此我們假設(shè)場以線性且均勻施加，且不存在任何程度的手性。還假定在光源和觀察員側(cè)兩者處的基板表面處不存在分子的預(yù)傾角。第一幅圖(圖5a)適于固定的50 度的偏振角，然后方位角從O度變化到360度。在這種情況下，預(yù)測隨著方位角從O度旋轉(zhuǎn)到360度，色度幾乎沒有變化。圖恥和5c分別適于為O度和45度的固定方位角度，而偏振角從O度變化到80度。在場“啟用”狀態(tài)下，O度的方位角對應(yīng)偏振方向，而45度的方位角對應(yīng)光軸。它表明，在方位角固定在45度(圖5c)時，色度隨著偏振角變化而略微變化。 然而，正如在圖5d中的顏色等高線圖所示，色度變化非常小，除了處于極端的一些輕微“泛黃”之外?？傊瑢嵤├捎欣C實具有100毫秒響應(yīng)時間以及至少一 1000 1以及甚至高達(dá)65000 1對比度的快速切換液晶顯示模式。由于液晶分子的不斷重新定向，傳輸電壓曲線顯示該響應(yīng)可有利于控制灰度。
雖然涉及實施例的上述段落已綜合考慮具有負(fù)介電各向異性的LC，我們進(jìn)一步披露僅僅通過具有零介電各向異性而與上述LC裝置(且具有上述一個或多個任選特征的組合)不同的一種裝置。下面描述一種裝置和其它布置以及相關(guān)的方法，其利用具有正介電各向異性的液晶。(盡管僅僅通過用正各向異性LC代替零介電各向異性LC而導(dǎo)致不同的其它布置)。LC 以進(jìn)一步包括聚合物(例如通過加入反應(yīng)性的甲殼)的組分來提供，如在此所述的任意正介電裝置/布置/方法的情況那樣，聚合物可為單丙烯酸酯或二丙烯酸酯的形式，這與交聯(lián)的端基有關(guān)。液晶裝置用于控制光從所述裝置輸出，且包括手性向列型液晶，具有成螺旋布置的液晶分子且具有正介電各向異性；用于施加電場的至少兩個電極，電場具有垂直于手性向列型液晶分子螺旋軸的分量，手性向列具有短螺距(< 380nm)或長螺距(>=380nm)。 在這種裝置中，分子的螺旋布置旋轉(zhuǎn)成與本地電場對準(zhǔn)，即電場直接影響分子的取向。優(yōu)選的，至少兩個電極大體共面，例如，至少兩個電極為平面電極。用于控制光從液晶裝置輸出地相關(guān)方法，該裝置包括手性向列型液晶，其具有成螺旋布置的液晶分子并有正介電各向異性，且進(jìn)一步包括用于垂直于手性向列型液晶分子螺旋軸來施加電場的至少兩個電極，所述方法包括施加電場；以及使得螺旋布置旋轉(zhuǎn)成與電場對準(zhǔn)。因此，對于在本說明書中所述的所有實施例，螺旋布置可旋轉(zhuǎn)成對準(zhǔn)本地電場，即電場對于螺旋布置分子本地存在，或電場在整個LC上是均勻的。在不存在任何電場情況下存在的螺旋布置稱為零場布置。優(yōu)選的，對于螺旋布置為本地的電場垂直于零場布置的螺旋軸方向。由裝置輸出的光可由裝置從外部源(例如，陽光，外部熒光源，LED等)接收或可能內(nèi)部產(chǎn)生，例如，將光發(fā)射器添加到LC以形成例如激光器。無論光源是內(nèi)部還是外部光源，上述控制可以是形成輸出光而產(chǎn)生的光比例，和/或輸出光的傳播方向。有利的是，手性向列型(即，膽甾醇)LC的螺旋布置可旋轉(zhuǎn)成與電場對準(zhǔn)。因此，當(dāng)施加電場時，手性向列型LC的光軸可重新取向以便對準(zhǔn)在電極平面內(nèi)。例如，當(dāng)裝置用作二進(jìn)制裝置的情況下可使用完全對準(zhǔn)。但是，如果該裝置以模擬方式使用，例如適于灰度， 例如取決于電場強度，可控制LC旋轉(zhuǎn)成與電場部分對準(zhǔn)，即不完全對準(zhǔn)。旋轉(zhuǎn)可在LC螺旋布置不松卷情況下發(fā)生。此外，該裝置可通過施加電場來操作， 以便在少于約50ms，優(yōu)選少于約10ms，更優(yōu)選少于約Ims的時間段內(nèi)大體將所述螺旋布置與電場大體完全對準(zhǔn)。(其它布置可能會與在此所述的各方面和各實施例或每一方面和每一實施例有所不同，上述方面和實施例通過如圖11中所示的零場螺旋布置松卷進(jìn)行描述， 備選或另外的旋轉(zhuǎn)成對準(zhǔn)電場)。如上所述，對于在此所述的任何正介電各向異性的裝置/方法而言，螺旋布置的螺距可長可短。短螺距可以是比可見光波長更短的螺距。優(yōu)選的，螺距小于380nm，更優(yōu)選小于約^Onm，如約150nm。然而，對于給定的正介電各向異性的實施例而言，優(yōu)選的螺距特定值可大于或小于380nm，和/或可取決于LC雙折射。然而，在正介電各向異性的任何實施例中，液晶優(yōu)選是短螺距液晶。有利的是，螺距可以是這樣的以至于在不存在電場的情況下通過LC傳輸?shù)墓庵辽俨糠?、或?yōu)選大體完全被阻斷。這種實施例可包括至少位于裝置輸出側(cè)上的偏振器。備選的，該裝置可包括為LC相對兩側(cè)上的偏振器，這些偏振器具有大體垂直的傳輸軸。阻斷可以是阻斷入射到LC輸入側(cè)上的偏振光的至少約95%，優(yōu)選約100%。當(dāng)電場存在時，液晶優(yōu)選大體完全進(jìn)行光傳輸，例如，傳輸光的至少約95%。更通常與上述偏振器相關(guān)的，液晶裝置可包括至少兩個偏振器，每一偏振器具有一偏振軸(即傳輸軸)，偏振器包括一對，這樣該對偏振器對準(zhǔn)以至于它們的軸大致相互垂直(即偏振器交叉)，手性向列型LC設(shè)置于這兩個偏振器之間。(備選的，該對偏振器可具有大體相互平行的軸。然而，交叉偏振器是優(yōu)選的，在這種情況下，在電場不存在的情況下， LC的光軸可相對于每一所述偏振器的偏振軸大致成45度角)。偏振器可設(shè)置于裝置的相應(yīng)基板上。因此，該裝置通過施加電場來操作成具有一定的比率，在電場存在的情況下所述光的傳輸(優(yōu)選偏振的；內(nèi)部或外部產(chǎn)生的)與在電場不存在的情況下所述光的傳輸?shù)谋嚷手辽俅笥诩s1000 1，優(yōu)選地更大，例如在約6000 1。由裝置控制的光可為偏振光，例如光從LC 一側(cè)上的偏振器輸入到該裝置內(nèi)。還可進(jìn)一步提供上述裝置，其中LC螺旋布置(其可能是短螺距或長螺距的)由聚合物進(jìn)行穩(wěn)定。液晶可包括聚合物組分，聚合物有利地給LC提供彈性。這種彈性可令LC更堅固耐用，例如，當(dāng)LC受壓縮(例如通過裝置的用戶手指按壓)時不容易永久性損壞。彈性可能會降低LC裝置的開關(guān)(切換)特性的滯后，因此改變開關(guān)時間(即，用于對準(zhǔn)/取消對準(zhǔn)的時間)。有利的，由于聚合物的彈性作用而減少LC取消對準(zhǔn)的時間(即LC螺旋旋轉(zhuǎn)返回到其原來取向，即施加電場之前的取向)。進(jìn)一步的在該方面，LC有利地包括雙頻手性向列型LC。在這種情況下，介電各向異性的變化由所施加場的頻率進(jìn)行標(biāo)志。這可能是有利的，以確保當(dāng)移除電場時，LC螺旋布置旋轉(zhuǎn)返回到原來的位置，即反向旋轉(zhuǎn)。雙頻LC例如可具有在例如IOOHz-IkHz的頻率范圍內(nèi)的負(fù)介電各向異性，以及在例如高于IkHz的另一頻率范圍內(nèi)具有正介電各向異性。 優(yōu)選的，介電各向異性變化標(biāo)志的頻率小于約100kHz。因此，可通過在不同頻率范圍內(nèi)施加另一電場而恢復(fù)LC螺旋軸的對準(zhǔn)。雙頻手性向列型LC對于例如LC不由聚合物進(jìn)行穩(wěn)定的情況是有利的。(在利用具有正介電各向異性液晶的實施例中，LC可包括具有低濃度反應(yīng)性甲殼(例如，Merck RM-257)或聚合物的組分，例如在此關(guān)于利用具有負(fù)介電各向異性的LC的實施例所述的那樣。在LC不包括這種雙頻LC的情況下，LC裝置仍可為有利的，例如，使ULH(均勻臥倒螺旋)對準(zhǔn)，因為LC螺旋布置的這種對準(zhǔn)可在電場中穩(wěn)定，即使在發(fā)生旋轉(zhuǎn)以便將螺旋對準(zhǔn)所施加的電場之后。因此，在一種布置中提供了構(gòu)成液晶裝置的ULH。通過將低濃度的聚合物或反應(yīng)性甲殼(例如，Merck RM257)(其交聯(lián)以便形成聚合物)加入到LC可獲得上述聚合物組分。所加入的甲殼或聚合物相對于LC的濃度優(yōu)選 < 20% w/w (按重量計算)。優(yōu)選的，電極配置成大體完全垂直于LC的零場螺旋軸來施加電場。電極可包括位于同一平面上的至少兩個電極，例如，位于LC的頂表面或底表面上，或位于隨后與LC直接或間接接觸的基板表面上?？砂l(fā)現(xiàn)這組電極位于兩個或兩個以上的相應(yīng)表面上，例如，第一和第二組分別位于LC的下表面和上表面上。此外，任意組電極可有利地配置成生成邊緣場。
用于施加電場的電極可包括位于LC相對側(cè)上的，例如，位于LC的頂部和底部上， 或位于鄰近LC相應(yīng)的相對兩側(cè)的基板上。例如，位于相應(yīng)表面上的第一和第二組電極可設(shè)置成提供相應(yīng)的電場，每一電場具有垂直于螺旋軸的分量。LC裝置的電極可包括位于LC 一側(cè)上的叉指電極，例如位于直接或間接附連到LC 上表面或下表面的基板上。叉指電極可通過絕緣層與基板間隔開。電極可包括在基板中位于一層上的手指圖案電極以及位于通過絕緣層(例如，阻擋層)隔開的另一層上的平面電極。裝置的LC可包括一種或多種染料，其可以是吸收性或反射性染料。更具體地，一種或多種染料可以是分色染料，多色性熒光染料，和/或多個種不同顏色如紅色、黃色和藍(lán)色的染料。此外，上述手性向列LC旋轉(zhuǎn)成與電場對準(zhǔn)會進(jìn)一步導(dǎo)致染料分子旋轉(zhuǎn)。有利的， 染料在該裝置內(nèi)的這種效果可通過宿主客型染料效果被有效地啟用/關(guān)閉。因此，提供如上所述的單個或至少兩個偏振器屆時可能不太有利。LC裝置可以是反射裝置。在這種情況下，外部光線(如陽光)可通過LC的一個表面接收，以及通過(直接或間接)附連到LC相對面的反射器進(jìn)行反射。LC裝置可包括反射元件，例如，金屬的，電介質(zhì)的(例如，介電鏡)，彩色的，吸收性和/或熒光性的。彩色或吸收性的反射性元件可選擇性地反射不同的顏色/波長。反射性LC裝置可設(shè)有單個的偏振器或不設(shè)置偏振器。在另一配置中，提供包括具有正介電各向異性的若干LC的顯示裝置，其優(yōu)選包括上述任選特征的任意組合。這種顯示裝置可包括光學(xué)補償膜，其可通過分散或擴散從LC裝置輸出的光來擴大顯示裝置的視角。該板塊可另外或備選為補償板或擴散板。擴散板和/ 或補償板可對光擴散和/或相延遲。優(yōu)選的，通過使用這種板可增加視角范圍，在該范圍圖像質(zhì)量好，即使在光大體從裝置的平面輸出表面以所有角度(例如，整個180度)發(fā)出的實施例中。在另一配置中，提供例如用于光計算、電信或數(shù)據(jù)通信的光波導(dǎo)器件，其包括具有正介電各向異性的至少一個LC裝置，LC裝置優(yōu)選包括上述任選特征的任何一種或多種組在另一配置中，提供可變光衰減器，或光開關(guān)(例如，適于波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)和/ 或用于阻斷或通過WDM或單波長信號)或光閥，其包括具有正介電各向異性的至少一個LC 裝置，LC裝置優(yōu)選包括上述任選特征的任何一種或多種組合。在另一配置中，提供包括第一配置的至少一個LC裝置，LC裝置優(yōu)選包括上述任選特征的任何一種或多種組合。優(yōu)選的，手性向列型液晶摻雜有光發(fā)射器或采光器。光發(fā)射器或采光器可為激光染料(這可以液體形式提供，例如溶液中的激光染料分子，和/或化學(xué)附接到液晶分子)，稀土元素，熒光染料和/或量子點。有利的，激光裝置用于將從激光裝置輸出的光束的傳輸方向重新定向和/或?qū)募す庋b置輸出的傳輸程度重新調(diào)整。關(guān)于詳細(xì)的正介電布置，可以是這樣的裝置，其包括長螺距手性向列型液晶，其中在電場平面內(nèi)沒有例如用于形成均勻臥倒螺旋(ULH)的聚合物。更具體的，該裝置可以是可切換的液晶元件，顯示器或相位調(diào)制裝置，基于手性向列型液晶的均勻臥倒螺旋(ULH)的幾何形狀。ULH 是手性向列型液晶螺旋軸的平面對準(zhǔn)。通常情況下，ULH通過機械剪切、溫度漸變和電場的復(fù)雜和非系統(tǒng)性的組合而預(yù)先對準(zhǔn)。因此ULH的誘導(dǎo)需要一些個人專長，導(dǎo)致其不適合大規(guī)模生產(chǎn)。觀察到通過平面內(nèi)電場來誘導(dǎo)均勻臥倒螺旋(ULH)是一個非常令人吃驚的結(jié)果。這項技術(shù)也呈現(xiàn)出提供誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的增加穩(wěn)定性，例如在不施加外部場的情況下ULH可保持更為較長時間。在這些實驗中通?？梢钥闯觯Y(jié)構(gòu)迅速衰變(幾秒到幾分鐘的量級)到Grandjean/焦錐狀態(tài)。雖然ULH的電感應(yīng)是令人驚訝的，但是該發(fā)現(xiàn)并不總是足以產(chǎn)生一個可切換裝置 (如相位調(diào)制器或顯示器)。另一優(yōu)選特征是在平面基板上方結(jié)合第三平面平行電極。該裝置可如下構(gòu)成由平面電場誘導(dǎo)ULH，然后移除電場，然后將平面電極短路(等電位)。然后通過在上部電極和基板電極(目前常見的)之間施加電壓來處理該裝置。圖8示出適于所有電誘導(dǎo)ULH裝置相對于傳統(tǒng)(手動)誘導(dǎo)的數(shù)據(jù)。盡管傾斜角度減小，在調(diào)查中使用的材料具有僅僅中度的撓曲電和/或介電耦合，上述可控制響應(yīng)。對于厚度為3-5微米的典型電池而言，可以使用新材料來設(shè)計改進(jìn)撓曲電和/或介電耦合，使切換電壓增加幾V/μ m的量級。圖9示出裝置的示意圖。該裝置的潛在優(yōu)勢可包括ULH結(jié)構(gòu)的優(yōu)良重現(xiàn)性以及電氣自動化感應(yīng)。此外，一旦形成ULH裝置，可允許(10微秒以下)的快速切換、低電壓(可使用傳統(tǒng)的電路)、模擬 (灰度)操作和/或相位調(diào)制應(yīng)用。關(guān)于進(jìn)一步詳細(xì)的正介電配置，可為在平面電場內(nèi)具有聚合物的短螺距手性向列型液晶，例如，適于快速切換調(diào)制裝置。這種裝置可為利用聚合物來穩(wěn)定具有大的正介電各向異性的短螺距手性向列型液晶的顯示裝置。顯示裝置可通過外部電場的作用可在光學(xué)熄滅的“關(guān)閉”狀態(tài)和明亮的“啟用”裝置之間進(jìn)行切換，以及在移除所施加的電場后恢復(fù)到光學(xué)熄滅狀態(tài)。這種裝置可具有出色的對比度和響應(yīng)時間，對于啟用而言為幾毫秒的量級， 而對于關(guān)閉而言為亞毫秒的量級。圖10示出聚合物穩(wěn)定短螺距材料的效果圖。該材料通過平面場處理，且位于交叉偏振器之間。在該裝置中，電壓從OV漸變到200V，然后回落到0V，以便調(diào)查滯后性質(zhì)。從圖中，對于非聚合物穩(wěn)定的材料而言，裝置不會恢復(fù)到原來的狀態(tài)(未切換)，因此不能用作顯示裝置。然而，當(dāng)材料包括反應(yīng)性的液晶組合物且合適的是紫外線聚合的，形成的裝置允許以最小的滯后對原來未切換的狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)良恢復(fù)。這是一個令人吃驚的結(jié)果，使裝置具有很好的對比度和快速響應(yīng)時間，例如5ms的啟用時間和0. 2ms的關(guān)閉時間，或0. 5ms的啟用時間和0. 2ms的關(guān)閉時間。還在更有利的實施例中，獲得100微秒量級的適于啟用和關(guān)閉的響應(yīng)時間。該裝置的潛在優(yōu)勢可包括短螺距材料允許光學(xué)熄滅的關(guān)閉狀態(tài)，其允許具有優(yōu)良的對比度；正介電耦合(允許使用現(xiàn)有的材料來顯著較低的工作電壓)；平面開關(guān)(切換)技術(shù)；和/或快速響應(yīng)。關(guān)于上述的所有實施例和布置，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言毫無疑問會進(jìn)行許多其它的有效替代。本發(fā)明并不限于所述的實施例，而是涵蓋對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言顯而易見的落入所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的變型。
權(quán)利要求
1.用于控制偏振光傳輸?shù)囊壕аb置，包括手性向列型液晶，具有在電場不存在的情況下成螺旋布置的液晶分子；以及用于施加電場的至少兩個電極，電場具有垂直于手性向列型液晶螺旋軸的分量；其中手性向列型液晶具有負(fù)介電各向異性。
2.用于控制光傳輸?shù)囊壕аb置，包括 發(fā)出所述光的光源；手性向列型液晶，具有在電場不存在的情況下成螺旋布置的液晶分子；以及用于施加電場的至少兩個電極，電場具有垂直于手性向列型液晶螺旋軸的分量；其中手性向列型液晶具有負(fù)介電各向異性，且為具有短于所述光的最短波長的螺距的液晶。
3.用于控制光從所述裝置輸出的液晶裝置，所述裝置包括手性向列型液晶，具有成螺旋布置的液晶分子和正介電各向異性； 用于施加電場的至少兩個電極，電場具有垂直于手性向列型液晶分子螺旋軸的分量， 手征向列優(yōu)選具有短于所述光的最短波長的螺距；液晶為分子的螺旋布置朝向與電場對準(zhǔn)的方向旋轉(zhuǎn)，優(yōu)選與本地電場對準(zhǔn)； 其中液晶以進(jìn)一步包括聚合物的組分提供。
4.用于控制光從裝置輸出的液晶裝置，所述裝置包括手性向列型液晶，其具有成螺旋布置的液晶分子和正介電各向異性；以及進(jìn)一步包括用于施加電場的至少兩個電極，電場具有垂直于手性向列型液晶分子螺旋軸的分量；所述裝置包括液晶，從而在電場不存在的情況下，液晶的螺旋布置和光軸的取向使得入射到裝置上的任意線性偏振光垂直于光軸和螺旋布置；以及液晶包括具有聚合物的組分，聚合物在宿主型手性液晶中的濃度在約0. 至約30% ff/V之間；液晶，使得電場的施加將手性向列型液晶的螺旋布置和光軸與由電極限定的平面對準(zhǔn)或部分對準(zhǔn)；液晶是這樣的，以至于在移除電場之后，光軸和螺旋布置松弛返回到施加電場之前的狀態(tài)。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的液晶裝置，其中所述手性向列型液晶分子在電場存在的情況下成螺旋布置，在所述電場存在的情況下所述布置的螺旋軸與施加到所述分子的所述電場對準(zhǔn)。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的液晶裝置，其中所述液晶螺旋布置介電耦合到電場以便在取決于電場方向的方向上將所述螺旋布置的螺旋軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的液晶裝置，配置為使得在施加電場時，手性向列型液晶的光軸在垂直于電場分量的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)優(yōu)選將光軸至少部分對準(zhǔn)電場。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的液晶裝置，其中所述至少兩個電極配置成大體完全垂直于手性向列型液晶螺旋軸來施加所述電場。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的液晶裝置，還包括發(fā)出可控所述光的光源，其中液晶具有短于所發(fā)出光的最短波長的螺距，優(yōu)選短于約380nm。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的液晶裝置，其中螺旋布置具有這樣的螺距，以至于在不存在所述電場分量的情況下大體完全阻斷所述偏振光傳輸通過所述手性向列型液晶。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的液晶裝置，其中所述大體完全阻斷是阻斷至少約95%的偏振光。
12.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的液晶裝置，其中螺距小于380nm，優(yōu)選小于約^K)nm， 更優(yōu)選小于約150nm。
13.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的液晶裝置，其中手性向列型液晶具有這樣的厚度以至于在電場存在的情況下所述偏振光大體傳輸通過所述手性向列型液晶。
14.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的液晶裝置，配置成通過所述電場的施加來操作成具有一定的比率，在電場存在的情況下所述偏振光的傳輸與在電場不存在的情況下所述偏振光的傳輸?shù)谋嚷蚀笥诩s1000 1，優(yōu)選大于約6000 1。
15.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的液晶裝置，配置成通過所述電場的施加來操作成在少于約50ms，優(yōu)選少于約Ims的時間內(nèi)將所述螺旋布置與所述電場分量大體完全對準(zhǔn)。
16.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的液晶裝置，配置成通過移除所述電場來操作成在少于約50ms、優(yōu)選小于約IOOus的時間內(nèi)大體完全恢復(fù)所述螺旋布置的對準(zhǔn)。
17.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的液晶裝置，還包括至少兩個偏振器，每一偏振器具有一個偏振軸，其中所述兩個偏振器為交叉偏振器；以及所述手性向列型液晶設(shè)置于所述交叉偏振器之間。
18.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的液晶裝置，其中液晶包括具有聚合物的組分，所述聚合物用于穩(wěn)定液晶的分子布置，優(yōu)選地減少裝置的開關(guān)響應(yīng)時間。
19.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的液晶裝置，其中手性向列型液晶包括染料，諸如分色染料，多色性熒光染料和/或多種不同顏色的染料。
20.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的液晶裝置，具有包括所述手性向列型液晶和聚合物的組分。
21.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的液晶裝置，包括至少一個反射器，其中所述至少一個反射器優(yōu)選是金屬的，電介質(zhì)的，有色的，吸收性和/或熒光性的。
22.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的液晶裝置，其中至少兩個電極處于大體同一平面內(nèi)。
23.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的液晶裝置，其中液晶介電耦合電場，以便將分子的螺旋布置朝向與電場對準(zhǔn)的方向旋轉(zhuǎn)。
24.包括若干根據(jù)權(quán)利要求1至23中任一項所述的液晶裝置的顯示裝置。
25.包括根據(jù)權(quán)利要求1至23中任一項所述的液晶裝置的光波導(dǎo)裝置。
26.包括根據(jù)權(quán)利要求1至23中任一項所述的液晶裝置的可變光衰減器。
27.包括根據(jù)權(quán)利要求1至23中任一項所述的液晶裝置的光學(xué)開關(guān)或光閥。
28.包括根據(jù)權(quán)利要求1至23中任一項所述的液晶裝置的激光器，其中手性向列型液晶包括諸如激光染料、熒光染料和/或量子點的采光器。
29.用于光從液晶裝置輸出的方法，包括將電場施加到所述裝置的手性向列型液晶的液晶分子的螺旋布置；所述螺旋布置旋轉(zhuǎn)以便將所述布置的螺旋軸對準(zhǔn)所述電場；其中所述手性向列型液晶具有負(fù)介電各向異性，以及所述螺旋布置具有小于380nm的螺距。
30.根據(jù)權(quán)利要求四所述的方法，其中所述液晶螺旋布置介電耦合電場，以便將所述螺旋布置的螺旋軸在取決于電場方向的方向上旋轉(zhuǎn)，優(yōu)選所述旋轉(zhuǎn)是均勻的。
31.根據(jù)權(quán)利要求四或30所述的方法，還包括移除所述電場以便將螺旋軸返回到施加所述電場之前存在的取向。
32.根據(jù)權(quán)利要求四至31任一項所述的方法，其中通過將電位差施加到處于鄰近液晶的大體同一面內(nèi)的至少兩個電極來施加電場。
33.控制偏振光傳輸?shù)姆椒?，包括跨過設(shè)置于交叉偏振器之間的手性向列型液晶來施加電場，其中液晶在電場不存在的情況下具有負(fù)介電各向異性和成螺旋布置的液晶分子；其中所述電場具有垂直于手性向列型液晶螺旋軸的分量。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中所述螺旋布置的螺距小于380nm，優(yōu)選小于約 260nm，更優(yōu)選小于約150nm。
35.根據(jù)權(quán)利要求33或34所述的方法，其中所述液晶螺旋布置介電耦合電場，以便將所述螺旋布置的螺旋軸在取決于電場方向的方向上旋轉(zhuǎn)，優(yōu)選所述旋轉(zhuǎn)是均勻的。
36.根據(jù)權(quán)利要求33至35任一項所述的方法，其中施加電場，以至于液晶分子具有一種螺旋布置，當(dāng)施加電場時，所述螺旋布置具有對準(zhǔn)所述電場的螺旋軸。
37.根據(jù)權(quán)利要求33至36任一項所述的方法，其中施加電場以至于手性向列型液晶的光軸旋轉(zhuǎn)成對準(zhǔn)電場分量。
38.根據(jù)權(quán)利要求33至37任一項所述的方法，其中電場在大體完全垂直于螺旋布置的螺旋軸上施加。
39.根據(jù)權(quán)利要求33至38任一項所述的方法，其中通過將電位差施加到處于鄰近液晶的大體同一面內(nèi)的至少兩個電極來施加電場。
40.根據(jù)權(quán)利要求33至39任一項所述的方法，包括施加所述電場分量，持續(xù)等于或小于約1ms、優(yōu)選等于或小于約Ims的時間段，以便將所述螺旋布置與所述電場大體完全對準(zhǔn)。
41.根據(jù)權(quán)利要求33至40任一項所述的方法，包括移除所述電場分量，持續(xù)等于或小于約50ms、優(yōu)選等于或小于約IOOus的時間段，以便大體完全恢復(fù)所述螺旋布置的對準(zhǔn)。
42.用于控制光從液晶裝置輸出的方法，所述裝置包括手性向列型液晶，具有成螺旋布置的液晶分子且具有正介電各向異性；以及進(jìn)一步包括用于施加電場的至少兩個電極，電場具有垂直于手性向列型液晶分子螺旋軸的分量；液晶以進(jìn)一步包括聚合物的組分提供， 所述方法包括施加電場；以及在朝向?qū)?zhǔn)電場的方向旋轉(zhuǎn)螺旋布置，優(yōu)選對準(zhǔn)電場。
43.用于控制光從液晶裝置輸出的方法，所述裝置包括手性向列型液晶，具有成螺旋布置的液晶分子且具有正介電各向異性；以及進(jìn)一步包括用于施加電場的至少兩個電極，電場具有垂直于手性向列型液晶分子螺旋軸的分量；其中在電場不存在的情況下，手性液晶的螺旋布置和光軸的取向是這樣的，以至于入射到裝置上的任意線性偏振光的偏振狀態(tài)垂直于光軸和螺旋布置；以及液晶包括具有聚合物的組分，聚合物在宿主型手性液晶中的濃度在約0. 至約30%ff/V之間；施加電場將手性向列型液晶的螺旋布置和光軸與由電極限定的平面對準(zhǔn)或部分對準(zhǔn)；在移除電場之后，光軸和螺旋布置松弛返回到施加電場之前的狀態(tài)。
44.用于控制光從液晶裝置輸出的方法，該裝置包括手性向列型液晶，具有成螺旋布置的液晶分子且具有正介電各向異性；以及進(jìn)一步包括用于施加電場的至少兩個電極，電場具有垂直于手性向列型液晶分子螺旋軸的分量；所述方法包括施加電場將手性向列型液晶的螺旋布置和光軸與由電極限定的平面對準(zhǔn)或部分對準(zhǔn)；在移除電場之后，螺旋布置和光軸保持與由電極限定的平面對準(zhǔn)或部分對準(zhǔn)；以及用于施加另一電場的至少一個另外電極，所述至少一個另外電極取向成大體完全垂直于螺旋布置的旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)光軸來施加所述的另一電場。
45.根據(jù)權(quán)利要求四至44任一項所述的方法，其中所述手性向列型液晶分子在所述電場存在的情況下成螺旋布置，在所述電場存在的情況下所述布置的螺旋軸與施加到所述分子的所述電場對準(zhǔn)。
46.根據(jù)權(quán)利要求四至45任一項所述的方法，其中所述液晶螺旋布置介電耦合電場， 以便將所述螺旋布置的螺旋軸在取決于電場方向的方向上旋轉(zhuǎn)。
47.根據(jù)權(quán)利要求四至46任一項所述的方法，其中手性向列型液晶的光軸旋轉(zhuǎn)成使得光軸至少部分對準(zhǔn)電場。
48.根據(jù)權(quán)利要求四至47任一項所述的方法，其中至少兩個電極配置成大體完全垂直于手性向列型液晶的螺旋軸來施加所述電場。
49.根據(jù)權(quán)利要求四至48任一項所述的方法，其中液晶具有短于可控光最短波長的螺距。
50.根據(jù)權(quán)利要求四至49任一項所述的方法，其中螺旋布置具有這樣的螺距，以至于在不存在所述電場的情況下大體完全阻斷所述光傳輸通過所述手性向列型液晶。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，其中所述大體完全阻斷是阻斷至少約95%的可控光。
52.根據(jù)權(quán)利要求四至51任一項所述的方法，其中液晶具有小于380nm，優(yōu)選小于約 260nm，更優(yōu)選小于約150nm的螺距。
53.根據(jù)權(quán)利要求四至52任一項所述的方法，其中手性向列型液晶具有厚度使得在所述電場存在的情況下所述光大體傳輸通過所述手性向列型液晶。
54.根據(jù)權(quán)利要求四至53任一項所述的方法，其中在電場存在的情況下所述光的傳輸與在電場不存在的情況下所述光的傳輸?shù)谋嚷蚀笥诩s1000 1，優(yōu)選大于約6000 1。
55.根據(jù)權(quán)利要求四至M任一項所述的方法，其中施加所述電場使得在少于約50ms， 優(yōu)選少于約Ims的時間內(nèi)將所述螺旋布置與所述電場大體完全對準(zhǔn)。
56.根據(jù)權(quán)利要求四至55任一項所述的方法，包括移除所施加的電場以便在少于約 50ms、優(yōu)選小于約IOOus的時間內(nèi)大體完全恢復(fù)所述螺旋布置的對準(zhǔn)，所述恢復(fù)是將所述螺旋布置返回到大體穩(wěn)定的零電場布置，表示零電場布置優(yōu)選是均勻直立螺旋布置。
57.根據(jù)權(quán)利要求四至56任一項所述的方法，其中所述手性向列型液晶設(shè)置于交叉偏振器之間。
58.根據(jù)權(quán)利要求四至57任一項所述的方法，其中液晶包括具有聚合物的組分，所述聚合物優(yōu)選用于穩(wěn)定液晶的分子布置，優(yōu)選減少裝置的開關(guān)響應(yīng)時間。
59.根據(jù)權(quán)利要求四至58任一項所述的方法，其中手性向列型液晶包括染料，諸如分色染料，多色性熒光染料和/或多種不同顏色的染料。
60.根據(jù)權(quán)利要求四至59任一項所述的方法，包括至少一個反射器，其中優(yōu)選使用金屬的、電介質(zhì)的、有色的、吸收性和/或熒光性的反射器。
61.根據(jù)權(quán)利要求四至60任一項所述的方法，其中利用處于大體同一平面內(nèi)的至少兩個電極來施加電場。
62.根據(jù)權(quán)利要求四至61任一項所述的方法，其中液晶介電耦合電場，以便將分子的螺旋布置朝向與電場對準(zhǔn)的方向旋轉(zhuǎn)，優(yōu)選對準(zhǔn)電場。
63.操作顯示裝置的方法，包括權(quán)利要求四至62任一項所述的方法。
64.操作光波導(dǎo)裝置的方法，包括權(quán)利要求四至63任一項所述的方法。
65.操作可變光衰減器的方法，包括權(quán)利要求四至64任一項所述的方法。
66.操作光學(xué)開關(guān)或光閥的方法，包括權(quán)利要求四至65任一項所述的方法。
67.操作激光器的方法，包括權(quán)利要求四至66任一項所述的方法，其中手性向列型液晶包括諸如激光染料、熒光染料和/或量子點的采光器。
全文摘要
本發(fā)明通常涉及液晶裝置，以及更具體涉及液晶單元形式的諸如顯示裝置的這種裝置，并進(jìn)一步涉及具有液晶裝置的顯示裝置，包括液晶裝置的光波導(dǎo)器件，包括液晶裝置的可變光衰減器，包括液晶裝置的光學(xué)開關(guān)，用于控制偏振光傳輸?shù)姆椒?，以及另一種的液晶裝置。一種用于控制偏振光傳輸?shù)囊壕аb置，包括手性向列型液晶，具有在電場不存在的情況下的成螺旋布置的液晶分子；以及用于施加電場的至少兩個電極，電場具有垂直于手性向列型液晶螺旋軸的分量，其中手性向列型液晶具有負(fù)介電各向異性。
文檔編號G02F1/137GK102460290SQ201080034234
公開日2012年5月16日 申請日期2010年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月2日
發(fā)明者哈里·科爾斯, 崔秀石, 弗林·卡斯特爾斯, 斯蒂芬·莫里斯, 達(dá)明安·加德納 申請人:劍橋企業(yè)有限公司